[发明专利]一种模型试验中制备低扰动高饱和度砂土试样的装置及方法

说明书

本申请属于砂土试样的制作技术领域，在三轴试验平台上制备低扰动干砂试样的装置及方法，装置包括模型箱、砂雨装置、饱和桶、储水桶、真空桶、真空泵和二氧化碳罐等。模型箱置于饱和桶内部,底部设置有透水石和可供液体进出的管接头；砂雨装置固定于饱和桶外侧，包括盛砂漏斗、出砂鸭嘴、水平两向滑块等，其中出砂鸭嘴和盛砂漏斗置于模型箱内部，通过水平双向自由滑动盛砂漏斗筛砂制作干砂模型；饱和桶盖上设置用于抽除内部空气的抽气口、供饱和液体进出的管接头、监测桶内气压的真空表以及调节桶内气压的真空调压阀等等。二氧化碳罐上设置流速表和气体流速控制阀。

技术领域

本申请涉及模型试验砂土试样的制作，具体为一种模型试验中制备低扰动高饱和度砂土试样的装置及方法。

背景技术

建立在砂层地基上的建筑物和构筑物，由于饱和砂土在地震荷载作用下会发生液化现象，即砂土地基承载力完全丧失，这会造成地基失稳和沉陷、建筑物或构筑物的坍塌、城市生命线工程破坏以及极大的人员和财产损失，研究统计表明地震液化造成的损失占地震灾害损失的15-30％。因此有必要对砂土的动力特性进行研究。

目前研究砂土地震液化特性的试验方法主要有室内单元试验和模型试验。单元试验采用土单元作为试样，仅能研究现场土体中一点的应力应变状态。而土体在地震荷载下的响应同时要受到相邻土体的影响，因此有必要基于模型尺度对场地地震响应进行分析。另一方面，已有研究表明饱和度对液化影响显著，提高砂土模型的饱和度对场地地震液化分析至关重要。

目前制备饱和砂土模型试样的方法主要有两种：(1)采用水中落砂法，即首先向模型箱内加入饱和液体至预定高度，然后均匀撒砂，使砂土在自重作用下自然沉积以制备饱和砂土模型；该方法缺陷主要有两点：一是在饱和含细颗粒砂土模型时，由于土颗粒在液体中沉积速度与颗粒粒径的平方成正比，因此会由于严重的离析现象而导致试样不均匀；二是一般离心机模型试验中为克服动力时间和渗透时间的矛盾，往往采用粘度较大的液体代替水进行饱和，该种液体由于粘度大较难渗透进入砂土颗粒的微观孔隙内，因此饱和效果较差；(2)采用空中砂雨法，即首先通过撒砂制备干砂模型，然后将模型箱吊入饱和装置内进行抽真空饱和；该方法优势是通过抽真空大大提高了模型的饱和度。

但一般常规的饱和装置主要缺陷有两点：(1)干砂模型制备完成后需要通过吊车吊入饱和装置内，因此会扰动模型，而这种不可控的扰动会影响试验的控制变量，如一般砂土试验需要严格控制相同相对密实度等，因此会影响试验结果的准确性。(2)砂土模型仅进行了抽真空，而砂土孔隙内的仍会残存空气，会影响模型饱和度从而导致试验结果误差大甚至错误。

发明内容

本申请的目的在于针对模型试验中砂土试样易扰动和难以获得高饱和度试样的问题，提供一种在模型试验中制备低扰动高饱和度砂土试样的装置及方法。

为了实现上述目标，本申请提供如下技术方案：

一种在模型试验中制备低扰动高饱和度砂土试样的装置，包括模型箱、砂雨装置、饱和装置、抽气设备等；模型箱包括透水石、进出水口管接头等；砂雨装置包括盛砂漏斗、出砂鸭嘴、X、Y向滑块等；饱和装置包括饱和桶、储水桶、真空桶、二氧化碳罐；抽气设备包括真空泵等；

模型箱由方形铝框叠合而成或钢整体浇筑得到，内部四周边界上布设乳胶膜；底部设置透水石，透水石上布置滤纸片，滤纸片上盛放砂土模型；

砂雨装置固定于饱和桶外侧，其上面布置有一个盛砂漏斗，盛砂漏斗通过导管和筛砂鸭嘴相连，导管通过锁紧装置固定于X向滑块上，可在X向导轨上自由滑动，同时X向导轨可利用Y向滑块在Y向导轨上自由滑动，因此盛砂漏斗和筛砂鸭嘴可在水平面内两向自由滑动；

饱和桶内部放置模型箱，其顶盖上安装有真空调压阀，可对桶内气压进行精密调节；桶盖上还安装有真空表，可对内部气压进行实时监测；饱和桶侧面安装有调压阀，用于饱和液体和二氧化碳气体进入模型箱；